《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)10.2.1 集散控制系統(tǒng)的硬件組成集散控制系統(tǒng)的硬件組成各各個個廠廠的的集集散散控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成不不完完全全相相同同，名名稱稱也也不一致，但大體上可分為如下幾部分不一致，但大體上可分為如下幾部分:1.1 現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站2.現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站一一般般遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離控控制制中中心心，安安裝裝在在靠靠近近現(xiàn)現(xiàn)場場的地方，以消除長距離傳輸?shù)母蓴_。它的功能是：的地方，以消除長距離傳輸?shù)母蓴_。它的功能是：10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化q分分散散地地實實現(xiàn)現(xiàn)過過程程數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的采采集集與與實實時時控控制制，即即對對過過程輸入輸出數(shù)據(jù)的掃描、檢測與處理；程輸入輸出數(shù)據(jù)的掃描、檢測與處理；q過程數(shù)據(jù)的保持與存儲；過程數(shù)據(jù)的保持與存儲；q用最新信息更新數(shù)據(jù)庫；用最新信息更新數(shù)據(jù)庫；q保持面向過程的功能庫；保持面向過程的功能庫；q輸輸入入信信號號用用某某種種算算法法處處理理而而產(chǎn)產(chǎn)生生控控制制信信號號傳傳送送給給執(zhí)行機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)；q對各報警條件的掃描監(jiān)測等。對各報警條件的掃描監(jiān)測等。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化因因此此，它它的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是許許多多功功能能分分散散的的插插板板（或或稱稱模模件件）、插插板板箱箱，各各箱箱又又分分層層地地插插入入機機柜柜。橫橫河河CENTUM-XL現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖如如圖圖10-2（a）、（b）所示。所示。CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng) 10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化（1）機柜機柜 現(xiàn)場控制站的各功現(xiàn)場控制站的各功能插板安裝在由多層機架能插板安裝在由多層機架組成的機柜中。機柜常配組成的機柜中。機柜常配有密封門、冷卻扇和過濾有密封門、冷卻扇和過濾器等，有時還配有溫控開器等，有時還配有溫控開關(guān)，當(dāng)機柜內(nèi)溫度超過正關(guān)，當(dāng)機柜內(nèi)溫度超過正常范圍時，產(chǎn)生報警信號。常范圍時，產(chǎn)生報警信號。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化（2）供電電源供電電源 DC 5V，12V和和+24V，一一般般對對現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站的的供供電電電電源源均均要要求求與與對對現(xiàn)現(xiàn)場場變變送送器器或或執(zhí)執(zhí)行行機機構(gòu)構(gòu)的的供供電電電電源源互互相相隔隔離離，以以減減少少相相互互于于擾擾。主主電電源源（供供柜柜內(nèi)內(nèi)母母線線的的24VDC）單單元元采采用用1:1冗冗余余，各各層層機機架架上上的的子子電電源源所所需需的的各各種種電電壓壓由由主主電電源源變變換換而而來來，可可采采用用1:1或或N:1冗冗余余方式配置。方式配置。所所有有電電源源均均來來自自120VAC或或220V AC交交流流電電網(wǎng)網(wǎng)。為為保保證證供供給給現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站交交流流電電源源的的穩(wěn)穩(wěn)定定可可靠靠，一一般般采采取取如下措施。如下措施。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 每每一一現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站均均采采用用雙雙相相交交流流電電源源供供電電，兩兩相互為冗余。相互為冗余。若電網(wǎng)電壓波動嚴(yán)重，應(yīng)采用交流穩(wěn)壓器。若電網(wǎng)電壓波動嚴(yán)重，應(yīng)采用交流穩(wěn)壓器。若若附附近近有有經(jīng)經(jīng)常常開開關(guān)關(guān)的的大大功功率率用用電電設(shè)設(shè)備備，要要采采用用超超級級隔隔離離變變壓壓器器，并并將將初初、次次級級線線圈圈間間的的屏屏蔽蔽層層可可靠靠接地，以隔離共模干擾。接地，以隔離共模干擾。對對連連續(xù)續(xù)控控制制要要求求高高的的場場合合，應(yīng)應(yīng)裝裝不不間間斷斷供供電電電電源源UPS。（3）主機插板主機插板 10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化主主機機插插板板是是現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站的的核核心心，它它包包括括CPU、存存儲儲器器和和寄寄存存器器等等，它它可可完完成成反反饋饋控控制制、順順序序控控制制和和算算求運算功能。求運算功能。大大多多數(shù)數(shù)都都使使用用32位位微微處處理理器器，配配有有浮浮點點運運算算協(xié)協(xié)處處理理器器，為為擴(kuò)擴(kuò)展展更更為為復(fù)復(fù)雜雜的的控控制制算算法法，如如自自整整定定、模模糊糊控制和預(yù)測控制等；控制和預(yù)測控制等；只只讀讀存存儲儲器器ROM一一般般有有數(shù)數(shù)百百K字字節(jié)節(jié)，用用來來固固化化系系統(tǒng)統(tǒng)啟啟動動、自自檢檢。基基本本的的I/O驅(qū)驅(qū)動動程程序序、各各種種控控制制、檢檢測測功功能能模模塊塊、所所有有固固定定參參數(shù)數(shù)和和系系統(tǒng)統(tǒng)通通信信和和系系統(tǒng)統(tǒng)管管理理模模塊塊等。等。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化（4）信號輸入輸出信號輸入輸出I/O插板插板 來來自自過過程程的的被被測測信信號號進(jìn)進(jìn)入入輸輸入入插插板板引引入入現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站，經(jīng)經(jīng)過過主主機機板板CPU按按某某一一控控制制算算法法處處理理后后，再再通通過過輸輸出出插插板板送送出出控控制制信信號號或或報報警警信信息息等等。DCS中中數(shù)數(shù)量量最最大大、種種類類最最多多的的就就是是IO插插板板，如如橫橫河河的的典典型型類類型型見見表表10-1所示。所示。輸輸入入信信號號的的種種類類 一一般般可可有有三三種種類類型型：從從變變送送器器來來的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)信信號號15V或或420mA；從從熱熱電電偶偶、熱熱電電阻阻或或渦渦輪輪流流量量計計來來的的低低電電平平信信號號；開開關(guān)關(guān)（數(shù)數(shù)字字）量量信信號。號。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 模擬輸入信號的變換模擬輸入信號的變換 上述低電平信號要將其上述低電平信號要將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為15V標(biāo)準(zhǔn)信號，有的系統(tǒng)還配有線性化和濾波標(biāo)準(zhǔn)信號，有的系統(tǒng)還配有線性化和濾波電路。電路。模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 計計算算機機只只能能接接受受二二進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，因因此此模模擬擬信信號號要要經(jīng)經(jīng)過過模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換。通通常常一一個個AD可可處處理理多多達(dá)達(dá)30路路的的輸輸入入信信號號，先先對對模模擬擬信信號號采采樣樣，然然后后進(jìn)進(jìn)行行量量化化，使使15V信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量04095。信信號號輸輸出出 主主機機板板CPU的的運運算算結(jié)結(jié)果果先先存存于于輸輸出出寄寄存存器器中中，對對于于開開關(guān)關(guān)量量輸輸出出，輸輸出出寄寄存存器器的的每每一一位位經(jīng)經(jīng)放大，輸出去控制電磁閥、繼電器或信號燈等；放大，輸出去控制電磁閥、繼電器或信號燈等；10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化對對于于模模擬擬輸輸出出，要要采采用用數(shù)數(shù)模模（D/A）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器，將將數(shù)數(shù)字字信信號號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為模模擬擬信信號號420mA，通通常常多多采采用用一一個個D/A通過多路開關(guān)保持電路，去控制閥控制生產(chǎn)過程。通過多路開關(guān)保持電路，去控制閥控制生產(chǎn)過程。信信號號接接線線 為為便便于于現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站與與現(xiàn)現(xiàn)場場信信號號的的聯(lián)聯(lián)系，通常都有專門的端子板供接線之用。系，通常都有專門的端子板供接線之用。對對于于易易燃燃易易爆爆的的危危險險場場所所，還還要要采采用用本本質(zhì)質(zhì)安安全全電電路路-防防爆爆安安全全柵柵，它它限限制制電電路路的的電電流流負(fù)負(fù)載載能能力力，以保證電線或電路元件發(fā)生斷線時不產(chǎn)生火花。以保證電線或電路元件發(fā)生斷線時不產(chǎn)生火花。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化2 操作站操作站為為了了便便于于對對過過程程的的全全面面協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)和和監(jiān)監(jiān)控控，操操作作站站要要設(shè)設(shè)置置在在控控制制室室里里，實實現(xiàn)現(xiàn)過過程程狀狀態(tài)態(tài)的的顯顯示示、報報警警、記記錄錄和和操操作作。典典型型的的操操作作站站包包括括主主機機系系統(tǒng)統(tǒng)、顯顯示示設(shè)設(shè)備備、鍵鍵盤盤輸入設(shè)備、信息存儲設(shè)備和打印輸出設(shè)備等。輸入設(shè)備、信息存儲設(shè)備和打印輸出設(shè)備等。（1）主機系統(tǒng)主機系統(tǒng) 操操作作站站的的主主機機系系統(tǒng)統(tǒng)主主要要實實現(xiàn)現(xiàn)集集中中監(jiān)監(jiān)視視、對對現(xiàn)現(xiàn)場場直直接接操操作作、系系統(tǒng)統(tǒng)生生成成和和診診斷斷等等功功能能。它它可可通通過過數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和其他操作站連在一起和其他操作站連在一起，一般可配置四個操作站，一般可配置四個操作站，相，相10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化互互冗冗余余。有有的的主主機機系系統(tǒng)統(tǒng)要要配配置置網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)，與與一一個個功功能能更更強強的的計計算算機機系系統(tǒng)統(tǒng)相相連連，以以實實現(xiàn)現(xiàn)高高級級控控制制和和管管理理功功能能。有有的的DCS配配備備一一個個工工程程師師站站，用用來來生生成成目目標(biāo)標(biāo)系系統(tǒng)統(tǒng)的的參參數(shù)數(shù)等等。多多數(shù)數(shù)系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工程程師師站站與與操操作作員員站站合合在在一一起起，僅僅用用一一個個工工程程師師鍵鍵盤盤，起起到到工工程程師師站站的的作作用用。目目前前大大多多采用采用32位位CPU，RAM為為24M字節(jié)。字節(jié)。（2）操作臺操作臺 為便于操作工操作和監(jiān)視的操作臺可分為三類：為便于操作工操作和監(jiān)視的操作臺可分為三類：桌式操作臺，集成式操作臺和雙屏操作臺。桌式操作臺，集成式操作臺和雙屏操作臺。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化（3）信息存儲設(shè)備信息存儲設(shè)備 有有只只讀讀存存儲儲器器、隨隨機機存存儲儲器器、35”軟軟盤盤、硬硬盤盤以及磁帶機等。以及磁帶機等。（4）顯示設(shè)備顯示設(shè)備 主主要要顯顯示示設(shè)設(shè)備備是是20彩彩色色CRT顯顯示示器器，有有的的還還用用指觸屏指觸屏CRT。（5）操作員站鍵盤和工程師鍵盤操作員站鍵盤和工程師鍵盤 操操作作和和監(jiān)監(jiān)視視用用的的操操作作員員鍵鍵盤盤，采采用用防防水水、防防塵塵構(gòu)構(gòu)造造的的平平面面鍵鍵，鍵鍵的的排排列列也也充充分分考考慮慮機機能能的的發(fā)發(fā)揮揮，使使操操作作直直觀觀、方方便便。內(nèi)內(nèi)裝裝電電子子蜂蜂鳴鳴器器，以以提提示示報報警警信信息息和和操作響應(yīng)。操作響應(yīng)。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化工工程程師師鍵鍵盤盤是是供供系系統(tǒng)統(tǒng)工工程程師師編編程程和和組組態(tài)態(tài)用用的的，類類似于似于PC機鍵盤。機鍵盤。（6）打印輸出設(shè)備打印輸出設(shè)備 一一般般要要配配置置兩兩臺臺打打印印機機，分分別別用用于于打打印印生生產(chǎn)產(chǎn)記記錄錄報表與報警列表和拷貝流程畫面。報表與報警列表和拷貝流程畫面。3 通訊系統(tǒng)通訊系統(tǒng)由由于于歷歷史史原原因因，各各個個廠廠家家的的產(chǎn)產(chǎn)品品區(qū)區(qū)別別很很大大。近近年年來來對對開開放放性性有有了了共共識識，也也只只能能與與外外部部計計算算機機聯(lián)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)逐逐步步趨趨向向一一致致，但但DCS內(nèi)內(nèi)部部的的通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)變變化化不不大大。這這里里僅僅介紹兩種典型通信系統(tǒng)。介紹兩種典型通信系統(tǒng)。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 現(xiàn)場控制站和操作站的通訊現(xiàn)場控制站和操作站的通訊 它們都掛在它們都掛在RI總線總線上，為令牌總線方式，用上，為令牌總線方式，用NE總線接口插件，同軸總線接口插件，同軸電纜，使用中繼器和光適配器，可使電纜，使用中繼器和光適配器，可使RL總線擴(kuò)展總線擴(kuò)展到到15000km。RL總線可以雙重化（冗余）總線可以雙重化（冗余）操作站間通信操作站間通信 采用采用MI82總線和總線和BML2總線通信總線通信插件、插件、ML2總線電纜（最長總線電纜（最長lkm，1Mbps）10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 與與CENTUMXL通通信信 采采用用HF總總線線接接口口插插件件和和程程序序包包即即可可。不不過過這這時時不不能能使使用用BASIC T2區(qū)區(qū)，可使用可使用T3、T4或或T5、T6。與與上上位位計計算算機機通通信信 在在擴(kuò)擴(kuò)展展型型（或或高高級級型型）操操作作站站上上安安裝裝EN82以以太太網(wǎng)網(wǎng)卡卡和和通通信信軟軟件件包包，經(jīng)經(jīng)收收發(fā)發(fā)器器、中中繼繼電電纜纜等等接接到到上上位位機機的的以以太太網(wǎng)網(wǎng)卡卡或或DEC net上上；也也 可可 采采 用用 TCP/IP、FTP和和 TELNET，實實 現(xiàn)現(xiàn) 高高 速速（10Mbps）文件通信。文件通信。（2）霍尼韋爾的霍尼韋爾的TDC3000 TDC3000的組成和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖的組成和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖10-4所示。所示。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 局域控制網(wǎng)絡(luò)局域控制網(wǎng)絡(luò)（LCN）這是令牌總線網(wǎng)絡(luò)，這是令牌總線網(wǎng)絡(luò)，采用同軸電纜、采用同軸電纜、LCN擴(kuò)展器、光纖、光纖連接器擴(kuò)展器、光纖、光纖連接器等。同軸電纜長度可達(dá)等。同軸電纜長度可達(dá)300m，光纖可達(dá)光纖可達(dá)2000m。LCN提供該網(wǎng)絡(luò)上各模件之間的通信，與過程網(wǎng)絡(luò)提供該網(wǎng)絡(luò)上各模件之間的通信，與過程網(wǎng)絡(luò)之間的連接。操作站（萬能操作站之間的連接。操作站（萬能操作站US和萬能工作站）和萬能工作站）、歷史模件、應(yīng)用模件和計算機模件均掛在、歷史模件、應(yīng)用模件和計算機模件均掛在LCN上，上，故它們可以互相通信，通信速度為故它們可以互相通信，通信速度為5Mb/s。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 萬萬能能控控制制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)（UCN）采采用用令令牌牌總總線線式式通通信信，實實現(xiàn)現(xiàn)對對等等點點對對點點通通信信功功能能，它它可可使使掛掛在在該該網(wǎng)網(wǎng)上上的的先先進(jìn)進(jìn)過過程程管管理理站站APM、過過程程管管理理站站PM和和邏邏輯輯管管理理站站共共享享網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，并并可可通通過過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)接接口口模模件件NIM與與LCN進(jìn)進(jìn)行行通通信信，通信速度為通信速度為5Mb/s。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)高高速速通通道道（DHW）DHW是是通通過過高高速速通通道道接接口口（HG）與與LCN相相連連。因因此此，掛掛在在DHW上上的的現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站（基基本本控控制制器器BC和和擴(kuò)擴(kuò)展展控控制制器器EC、多多功功能能控控制制器器MC等等）能能與與操操作作站站通通信信，通通信信速速度度為為500kbs。掛掛在在DHN上上的的各各控控制制器器通通過過C-LNKEC-LINK實實現(xiàn)現(xiàn)一一對對一一通通信信。近近來來，DHN通通信信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)已已逐逐漸漸被被UCN通通信信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)取而代之。絡(luò)取而代之。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 TDC-3000與上位機的通信與上位機的通信 上上位位計計算算機機和和LCN通通信信，就就可可實實現(xiàn)現(xiàn)TDC-3000和和上上位位機機的的信信息息交交換換。只只要要在在LCN上上安安裝裝計計算算機機接接口口CG，在在 DEC的的 VAX計計 算算 上上 安安 裝裝 帶帶 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 鏈鏈 接接 電電 纜纜 的的SIMPACK通通信信板板，它它們們就就可可進(jìn)進(jìn)行行信信息息交交換換。近近年年的的TDC-3000 x，帶帶有有功功能能更更豐豐富富的的通通用用應(yīng)應(yīng)用用模模件件AXM和和通通用用的的萬萬能能操操作作站站UXS，它它們們都都可可方方便便地地實實現(xiàn)現(xiàn)工工廠廠信信息網(wǎng)（息網(wǎng)（PIN）和和LCN的數(shù)據(jù)交換，如圖的數(shù)據(jù)交換，如圖10-5所示。所示。AXM不帶不帶CRT顯示器，無鍵盤，但可通過安裝在工廠顯示器，無鍵盤，但可通過安裝在工廠信息網(wǎng)信息網(wǎng)PIN上的上的X-Windows工作站，系統(tǒng)管理開發(fā)站或工作站，系統(tǒng)管理開發(fā)站或運行運行X-Windows軟件的軟件的PC機來獲取機來獲取LCN上的數(shù)據(jù)。另上的數(shù)據(jù)。另外，還有一條新的途徑將外，還有一條新的途徑將TDC-3000的的LCN和外界的局和外界的局域網(wǎng)（域網(wǎng)（LAN）交換數(shù)據(jù)，那就是采用交換數(shù)據(jù)，那就是采用CG和個人計算機和個人計算機網(wǎng)絡(luò)管理器（網(wǎng)絡(luò)管理器（PCNM）。）。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.3.4 集散控制系統(tǒng)的軟件集散控制系統(tǒng)的軟件 1 現(xiàn)場控制站軟件現(xiàn)場控制站軟件 多多數(shù)數(shù)現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制站站軟軟件件采采用用模模塊塊化化結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計，不不要要操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)。軟軟件件系系統(tǒng)統(tǒng)可可分分為為執(zhí)執(zhí)行行代代碼碼部部分分和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)部部分：分：（1）執(zhí)行代碼執(zhí)行代碼固化在固化在EPROM中。中。q周周期期性性代代碼碼：周周期期性性的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換處處理理、越越限限檢檢查查、控控制制算算法法（如如PID和和順順序序控控制制等等）的的運運算算、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)通通信信和和系系統(tǒng)統(tǒng)狀狀態(tài)態(tài)檢檢測測等等，這這些些周周期期性性執(zhí)執(zhí)行行部部分是由硬件時鐘定時激活的。分是由硬件時鐘定時激活的。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化q隨機代碼：如系統(tǒng)故障信號處理、事件順序信號隨機代碼：如系統(tǒng)故障信號處理、事件順序信號處理和實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收等，是由硬件中斷激活的處理和實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收等，是由硬件中斷激活的（2）數(shù)據(jù)代碼數(shù)據(jù)代碼存存放放在在RAM中中，在在系系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)復(fù)位位或或開開機機時時，這這些些數(shù)數(shù)據(jù)的初始值從網(wǎng)絡(luò)上裝入。據(jù)的初始值從網(wǎng)絡(luò)上裝入。RAM是一個實時數(shù)據(jù)庫，起到中心環(huán)節(jié)的作用，是一個實時數(shù)據(jù)庫，起到中心環(huán)節(jié)的作用，在這里進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都跟它交換數(shù)據(jù)，在這里進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都跟它交換數(shù)據(jù)，如圖如圖10-6所示。所示。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化2 操作站軟件操作站軟件（1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件一一般般有有實實時時多多任任務(wù)務(wù)操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)、診診斷斷系系統(tǒng)統(tǒng)、通通信信服服務(wù)務(wù)、數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫管管理理、接接口口服服務(wù)務(wù)、系系統(tǒng)統(tǒng)工工具具（如如組組態(tài)態(tài)軟軟件件等）和面向過程的編程語言等。等）和面向過程的編程語言等。（2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件有有生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝流流程程畫畫面面顯顯示示和和管管理理；控控制制回回路路調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)和和顯顯示示；順順序序邏邏輯輯控控制制和和顯顯示示；歷歷史史數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的存存儲儲；報報警警信信息息的的管管理理；生生產(chǎn)產(chǎn)記記錄錄報報表表的的管管理理和和打打印??；系系統(tǒng)統(tǒng)狀狀態(tài)態(tài)顯顯示示；趨趨勢勢顯顯示示；參參數(shù)數(shù)列列表表顯顯示示；人人-機機接接口口控控制制以以及實時數(shù)據(jù)處理等。及實時數(shù)據(jù)處理等。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化近近年年來來，由由于于提提倡倡開開放放性性，已已有有不不少少DCS采采用用有有較較好好人人-機機界界面面，功功能能豐豐富富的的WindowsNT作作為為操操作作系系統(tǒng)。統(tǒng)。3 集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件一一個個功功能能強強大大的的組組態(tài)態(tài)軟軟件件，能能提提供供一一個個友友好好的的用用戶戶界界面面，并并已已漢漢化化，使使用用戶戶在在不不需需要要編編什什么么代代碼碼程程序序的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。（1）基本配置組態(tài)基本配置組態(tài)給給系系統(tǒng)統(tǒng)一一個個配配置置信信息息，如如系系統(tǒng)統(tǒng)中中控控制制站站和和操操作作站站個個數(shù)數(shù)，每每個個現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制的的最最大大點點數(shù)數(shù)，最最大大內(nèi)內(nèi)存存配配置置和和最最短執(zhí)行周期等。短執(zhí)行周期等。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化（2）應(yīng)用組態(tài)軟件應(yīng)用組態(tài)軟件應(yīng)用軟件配置功能更為豐富，可分為如下六類：應(yīng)用軟件配置功能更為豐富，可分為如下六類：圖形生成圖形生成 各各種種流流程程圖圖畫畫面面的的編編輯輯，各各種種動動態(tài)態(tài)顯顯示示點點的的編編輯輯和動態(tài)點與實時點或歷史點的連接。和動態(tài)點與實時點或歷史點的連接。連續(xù)調(diào)節(jié)功能連續(xù)調(diào)節(jié)功能 連連續(xù)續(xù)控控制制回回路路（如如PI、PID和和選選擇擇性性控控制制等等）生生成和回路與點記錄連接。成和回路與點記錄連接。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化 順序控制生成順序控制生成 順序控制（梯形圖）記錄生成，順序控制與點記順序控制（梯形圖）記錄生成，順序控制與點記錄連接。錄連接。數(shù)據(jù)庫生成數(shù)據(jù)庫生成 數(shù)據(jù)庫點記錄編輯，數(shù)據(jù)庫記錄打印，數(shù)據(jù)庫記數(shù)據(jù)庫點記錄編輯，數(shù)據(jù)庫記錄打印，數(shù)據(jù)庫記錄轉(zhuǎn)換和連接。錄轉(zhuǎn)換和連接。歷史庫生成歷史庫生成 歷史記錄的編輯，歷史執(zhí)行記錄的生成，歷史庫歷史記錄的編輯，歷史執(zhí)行記錄的生成，歷史庫與實時點連接和趨勢曲線的配置功能。與實時點連接和趨勢曲線的配置功能。報表生成報表生成 報表的編輯，數(shù)據(jù)庫點記錄值的生成和連接。報表的編輯，數(shù)據(jù)庫點記錄值的生成和連接。10.10.2 2 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化4 集散控制系統(tǒng)的高級功能編程集散控制系統(tǒng)的高級功能編程DCS提提供供的的控控制制算算法法是是相相當(dāng)當(dāng)豐豐富富的的，有有的的DCS能能提提供供模模糊糊控控制制，神神經(jīng)經(jīng)元元網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件以以及及PID自自整整定定軟軟件件等等。但但由由于于工工藝藝過過程程的的復(fù)復(fù)雜雜性性，有有時時需需由由用用戶戶編編制制新新的的算算法法，這這就就要要求求DCS提提供供加加入入用用戶戶程程序序的的接接口口和和 編編 程程 語語 言言。如如 橫橫 河河 CENTUM-XL，就就 用用 實實 時時BASIC語語言言在在操操作作站站的的T1和和T2區(qū)區(qū)編編程程?；艋裟崮犴f韋爾爾TDC-3000，可可用用CL語語言言在在萬萬能能站站（US）或或萬萬能能工工作作站站（UWS）寫寫入入并并編編譯譯。在在TDC-3000X中中，AXM的的開開放放編編程程環(huán)環(huán)境境支支持持多多種種語語言言，如如C與與FORTRAN語語言言，用用戶戶可可用用上上述述語語言言開開發(fā)發(fā)自自己己的的應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件并并運運行行之之，也也可可運行其他廠家的軟件。運行其他廠家的軟件。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.10.3 3 現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線（fieldbus）是是用用于于智智能能現(xiàn)現(xiàn)場場儀儀表表與與控控制制室室系系統(tǒng)統(tǒng)之之間間的的一一種種全全開開放放、全全數(shù)數(shù)字字化化、雙雙向向、多多節(jié)節(jié)點點的的互互連連通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)，是是現(xiàn)現(xiàn)場場通通信信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與與控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)合合。這這是是計計算算機機技技術(shù)術(shù)、通通信信技技術(shù)術(shù)和和控控制制技技術(shù)術(shù)（3C）的的綜合與集成。綜合與集成?，F(xiàn)現(xiàn)場場總總線線不不單單純純是是一一種種通通信信技技術(shù)術(shù)，它它的的關(guān)關(guān)鍵鍵在在于于用用新新一一代代的的現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）代代替替?zhèn)鱾鹘y(tǒng)統(tǒng)的的集集散散控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)DCS，實實現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.3.1 現(xiàn)場總線特點現(xiàn)場總線特點q現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線把把通通信信線線（雙雙絞絞線線或或同同軸軸電電纜纜或或光光纜纜等等）從從控控制制室室延延伸伸到到生生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場場、變變送送器器、控控制制閥閥等等。它它們們都掛接在通信線上，如圖都掛接在通信線上，如圖10-7所示。所示。各節(jié)點可含有如各節(jié)點可含有如同同DCS中的功能中的功能塊，如塊，如PID算法、算法、線性化運算線性化運算模擬量輸入模擬量輸入（AI）模擬量輸出模擬量輸出（AO）可相互操作和組態(tài)，用戶可自可相互操作和組態(tài)，用戶可自由地集成由地集成FCS，并由通信線直并由通信線直接供電，可實現(xiàn)本質(zhì)安全防爆接供電，可實現(xiàn)本質(zhì)安全防爆還允許不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連還允許不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化q現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點 用用數(shù)數(shù)字字信信號號完完全全取取代代420mA的的模模擬擬信信號號，不不僅提高了可靠性，使精度也從僅提高了可靠性，使精度也從0.5提高到提高到0.1?？煽晒?jié)節(jié)省省大大量量信信號號電電纜纜、隔隔離離器器、端端子子柜柜、I/O卡件等，減少投資卡件等，減少投資66。將將控控制制、報報警警、計計算算等等功功能能分分散散到到現(xiàn)現(xiàn)場場儀儀表表，控制更及時，改善于控制性能。控制更及時，改善于控制性能。由由于于互互操操作作性性好好，用用戶戶可可自自由由選選擇擇不不同同廠廠家家產(chǎn)產(chǎn)品構(gòu)成最佳系統(tǒng)。品構(gòu)成最佳系統(tǒng)。組態(tài)簡單，安裝、運行和維修簡便。組態(tài)簡單，安裝、運行和維修簡便。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.3.2 現(xiàn)場總線的基本設(shè)備現(xiàn)場總線的基本設(shè)備 1 變送器變送器現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線的的變變送送器器（溫溫度度、壓壓力力、流流量量和和物物位位等等）已已經(jīng)經(jīng)不不是是傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的變變送送器器，它它是是帶帶CPU芯芯片片的的，用用數(shù)數(shù)字字信信號號進(jìn)進(jìn)行行運運算算和和通通信信的的，不不僅僅含含有有檢檢測測、變變換換和和補補償償功能，還有功能，還有PID算法和運算功能。算法和運算功能。2 執(zhí)行器執(zhí)行器不不論論氣氣動動或或電電動動執(zhí)執(zhí)行行器器，也也都都是是帶帶CPU芯芯片片的的，可可實實現(xiàn)現(xiàn)控控制制閥閥特特性性補補償償，PID控控制制和和運運算算功功能能，并并可可對閥特性作自校驗和自診斷。對閥特性作自校驗和自診斷。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化3 服務(wù)器和網(wǎng)橋服務(wù)器和網(wǎng)橋向上可接局域網(wǎng)向上可接局域網(wǎng)LAN，向下可接各種現(xiàn)場總線。向下可接各種現(xiàn)場總線。4 輔助設(shè)備輔助設(shè)備H1（低速現(xiàn)場總線）低速現(xiàn)場總線）/氣壓、氣壓、H1/電流和電流電流和電流/H1轉(zhuǎn)換器、安全柵、總線電源和便攜式編程器等。轉(zhuǎn)換器、安全柵、總線電源和便攜式編程器等。5 監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控設(shè)備工工程程師師站站供供現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線組組態(tài)態(tài)使使用用，操操作作員員站站供供工工藝藝操作和監(jiān)視，計算機站可用于建模和優(yōu)化控制。操作和監(jiān)視，計算機站可用于建模和優(yōu)化控制。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化10.3.3 基金會現(xiàn)場總線（基金會現(xiàn)場總線（FF）最最近近十十多多年年來來，由由于于現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線的的眾眾多多優(yōu)優(yōu)點點，研研究究開開發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線成成為為自自動動化化技技術(shù)術(shù)的的熱熱點點，從從而而在在世世界界上上出出現(xiàn)現(xiàn)了了多多種種現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線。由由于于技技術(shù)術(shù)原原因因和和商商業(yè)業(yè)利利益益，要要想想統(tǒng)統(tǒng)一一，尚尚須須待待以以時時日日。這這里里主主要要介介紹紹企企圖圖作作為為國國際際標(biāo)準(zhǔn)的基金會現(xiàn)場總線（標(biāo)準(zhǔn)的基金會現(xiàn)場總線（FF）。）。FF的的體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參照照國國際際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化化組組織織（1SO）的的全全開開放放系系統(tǒng)統(tǒng)互互連連（OSl）的的七七層層參參考考模模型型協(xié)協(xié)議議，采采用用其其中中的的第第1、2和和7層層（物物理理層層、數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鏈鏈路路層層和和應(yīng)應(yīng)用用層層），再再增加一層用戶層，如圖增加一層用戶層，如圖10-8所示。所示。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化其其模模型型框框架架描描述述了了信信息息傳傳輸輸?shù)牡耐就緩綇胶秃头椒椒ǚǎ耘赃呥叺淖⑨屝蜗蟮匾匀粘｀]信方式來比喻各層之間的關(guān)系。的注釋形象地以日常郵信方式來比喻各層之間的關(guān)系。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化1 物理層物理層（PL）物理層的任務(wù)是規(guī)定傳輸媒體種類和傳輸長度、物理層的任務(wù)是規(guī)定傳輸媒體種類和傳輸長度、傳輸速度、與現(xiàn)場儀表連接技術(shù)和連接臺數(shù)、供電方傳輸速度、與現(xiàn)場儀表連接技術(shù)和連接臺數(shù)、供電方式以及本質(zhì)安全隔離柵等問題。式以及本質(zhì)安全隔離柵等問題。FF提供兩種物理層提供兩種物理層（PL）標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：H1為用于過程控制的為用于過程控制的低速總線，速率為低速總線，速率為31.25kbps，傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)為雙絞線，傳輸距離為雙絞線，傳輸距離為為200m至至1900m，總總線供電，可支持本安線供電，可支持本安設(shè)備設(shè)備（26臺臺），非，非本安設(shè)備本安設(shè)備（232臺臺）H2為制造自動化高為制造自動化高速總線，傳輸介質(zhì)為速總線，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、雙絞線、同軸電纜、光纜和無線電、傳輸光纜和無線電、傳輸速率為速率為1Mbps（750m）和和2.5Mbps（500m）。每段可帶每段可帶124個節(jié)點個節(jié)點H1可以通可以通過網(wǎng)橋和過網(wǎng)橋和H2連接連接10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化2 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）這這一一層層的的作作用用是是對對總總線線上上傳傳輸輸數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的存存取取、控控制制方方式式和和錯錯誤誤鑒鑒別別進(jìn)進(jìn)行行規(guī)規(guī)定定。FF對對H1標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)采采用用總總線線仲仲裁方式，對裁方式，對H2正在制訂。正在制訂。3 應(yīng)用層應(yīng)用層（AL）主主要要是是為為設(shè)設(shè)備備間間和和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)間間數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)要要求求而而服服務(wù)務(wù)的的，包包括括發(fā)發(fā)送送變變送送器器來來的的信信息息和和操操作作員員報報文文信信息息、事事件件通通知知、趨趨勢勢報報告告和和發(fā)發(fā)布布上上裝裝及及下下裝裝的的命命令令。FF提提供供兩兩個個子子層層：現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線訪訪問問子子層層（FAS）和和現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線報報文文子子層層（FMS）。）。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化4 用戶層用戶層（UL）將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)規(guī)規(guī)格格化化成成為為特特定定的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，決決定定現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線設(shè)設(shè)備備內(nèi)內(nèi)部部信信息息的的存存取取及及將將這這一一信信息息傳傳送送到到網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)內(nèi)內(nèi)同同一節(jié)點或不同節(jié)點上其他設(shè)備中去的方式。一節(jié)點或不同節(jié)點上其他設(shè)備中去的方式。其其他他現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線還還有有很很多多，如如PROFIBUS（過過程程現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線）、CAN（局局域域控控制制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)）、LONWORKS（局局部部操操作作網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)）、HART（可可尋尋址址遠(yuǎn)遠(yuǎn)程程傳傳感感器器數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)通通路路）等等，其其參參考考模模型型及及協(xié)協(xié)議議大大同同小小異異，各各有有特特點點，適用于不同行業(yè)和場合。適用于不同行業(yè)和場合。10.10.3 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)YXSH化工儀表與自動化化工儀表與自動化直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)（DDC）一臺計算機控制盡可能多一臺計算機控制盡可能多的控制回路，實現(xiàn)集中檢的控制回路，實現(xiàn)集中檢測、集中控制和集中管理測、集中控制和集中管理集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DCS）*控制分散，危險分散；操作、控制分散，危險分散；操作、監(jiān)測和管理集中監(jiān)測和管理集中全數(shù)字式、雙向傳輸、多節(jié)全數(shù)字式、雙向傳輸、多節(jié)點分支結(jié)構(gòu)的點分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)與控通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成制系統(tǒng)的集成本章小結(jié)本章小結(jié)現(xiàn)場總線控制現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（系統(tǒng)（FCS）第一章 緒論 教學(xué)目的：了解基本概念：過程控制，過程控制發(fā)展概況，過程控制分類。 教學(xué)重點：人工控制和自動控制的對比，過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 教學(xué)難點：定值控制系統(tǒng)的過渡過程及性能指標(biāo)。 過程控制（Process control）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的生產(chǎn)過程的控制，都屬于過程控制。 連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的傳遞或轉(zhuǎn)換。 例如室內(nèi)溫度的控制。 圖1 為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。 在此人的作用可分為三步：眼看，腦想，手動。 送風(fēng) 回風(fēng) 閥門 圖1 室溫人工控制示意圖 恒溫室 溫度計 眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號。 腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差) ,并按偏差值計算出控制量。 手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。 人工控制受制于人的經(jīng)驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤? 圖2為室溫自動控制，自動化儀表代替了人。 恒溫室 送風(fēng)送風(fēng)風(fēng) 1 3 4 M TC TT 回水水 熱水 2 回風(fēng) 圖2 室溫自動控制示意圖 1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器 過程控制系統(tǒng)的定義： 為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由相互聯(lián)系的自動化儀表、裝置及被控對象、工藝設(shè)備構(gòu)成的 一個整體。又稱自動控制系統(tǒng)。 在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。 如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成，如圖3所示： 給定值 被控變量 干擾f 控制器 變送器 調(diào)節(jié)閥 加熱器及房間 及房間 + e 實測值 實測實測值值 － 圖3 室溫控制系統(tǒng)組成圖 過程控制系統(tǒng)方框圖通常用標(biāo)準(zhǔn)名稱表示。如圖4所示： 給定值 被控變量 干擾f 控制器 變送器 調(diào)節(jié)閥 被控對象及房間 + e 實測值 實測實測值值 － 圖4 過程控制系統(tǒng)方框圖 過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 1.1 過程控制的特點 1)．控制對象復(fù)雜、控制要求多樣 2)．控制方案豐富 3)．控制對象大多屬于慢過程 4)．大多數(shù)工藝要求定值控制 5)．通常使用標(biāo)準(zhǔn)自動化儀表及裝置 1.2 過程控制的發(fā)展概況 過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。 1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程 1．局部自動化階段 （20世紀(jì) 50～60年代） 1) 自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。 2) 適用于小規(guī)模、局部過程控制。 2．模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60～70年代） 特點： 1) 自動化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。 2) 控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。 3) 適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。 3．集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今） 計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。用一臺計算機可取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DDC， Direct Digital Control ） 。 但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險加大。因此， DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。 80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；? “集中管理，分散控制” 的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（ DCS， Distributed Control System） 。 DCS系統(tǒng)實行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。 隨著CPU進(jìn)入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。 控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。 FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。 而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。 1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。 以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID （Proportional Integral Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。 隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。 現(xiàn)代自動控制技術(shù)的主要特點： 1)、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。 2)、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 3)、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。 常見的自動化儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表廠、上海儀表公司、 Siemens 、 Yokogawa 、 Rosemount 、 Honeywell 、Foxboro等公司。 1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo) 1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類 過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。 但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類。 1. 按設(shè)定值的形式分類 1）定值控制系統(tǒng)—— 設(shè)定值恒定不變。 2）隨動控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時可能變化。 3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時間程序變化。 2. 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類 1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)） 將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如圖5所示： 給定值 被控變量 干擾f 控制器 變送器 調(diào)節(jié)閥 被控對象及房間 + e 實測值 實測實測值值 － 圖5 反饋控制系統(tǒng)方框圖 反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式 2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如圖6所示： 執(zhí)行器 被控對象 變送器 干擾f 測量值 控制器 被控變量 圖6 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖 3）復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補。如圖7所示 加法器 執(zhí)行器 被控對象 變送器1 控制器2 變送器2 給定值 + —— e 控制器1 干擾f 實測值 圖7 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖 1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 當(dāng)被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。 t 0 y 1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài) 1、穩(wěn)態(tài) 被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時，就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)。但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變就是了 靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。 靜態(tài) 靜態(tài) 動態(tài) t y 0 2、動態(tài) 被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。 動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。 靜態(tài) 靜態(tài) 動態(tài) t y 0 1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程 控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。 靜態(tài) 靜態(tài) 動態(tài) t y 0 系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。 1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性 系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。 2、外部因素：輸入信號 在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號。 生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號是隨機的。但在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。 A t f（t） t f（t） 時域分析時經(jīng)常使用階躍信號。 v 階躍信號變化突然，對被控變量的影響最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。 v 階躍信號的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。 如圖，輸入信號在 t = 0時，階躍上升幅度為 A ，其后保持。表達(dá)為f (t) = Ae ( t ) A t f（t） 在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式： ①單調(diào)衰減過程 被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。 ②振蕩衰減過程 被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。 ① t 0 θa ③等幅振蕩過程 被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。 ④振蕩發(fā)散過程 被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。 ③ θa 0 t ④ t 0 θa aaa 過渡過程的分類 1）穩(wěn)定的過渡過程 單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。 單調(diào)過程的過渡過程較長 ，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動的情況下才采用。 2）不穩(wěn)定的過渡過程 發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。 3）臨界過渡過程 處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定過程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些簡易的控制系統(tǒng)（如位式控制），只能達(dá)到這種效果。 1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 對控制系統(tǒng)的性能評價，是根據(jù)工藝對控制過程和結(jié)果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評價控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。 最典型的控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。 其中階躍響應(yīng)分：給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。二者階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。 (a) 干擾階躍響應(yīng) t 0 y （b）給定階躍響應(yīng) y 0 t 干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別： (a) 干擾階躍響應(yīng) t 0 y (b) 給定階躍響應(yīng) 0 t y 控制性能指標(biāo)有單項指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類 單項性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項特征量作為性能指標(biāo)，偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。 由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。 1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo) 單項性能指標(biāo)包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評價。 1）衰減比n和衰減率ψ 設(shè)第一個波振幅為 y1、第二個波振幅為 y3 圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線 y r y1 y3 C y(∞) Tp TS T t 衰減比 n 和衰減率ψ 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。 試驗證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。 衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系：n = 4:1~10:1 就相當(dāng)于ψ = 75 %～90% 2）最大動態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ 最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即: A = ymax - r 最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。 有時也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度， σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即 3）余差C 過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。 C= y(∞) - r 4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±5% （或±2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。 調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。 過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f = 1/ T 另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。 例：某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200 ℃。在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。 解： 最大偏差 A = 230-200 = 30℃ 余差 C= 205-200 = 5℃ 衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 振蕩周期 T = 20 – 5 = 15 （min 設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2％，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 ×（ ± 2％）＝ ± 4.1℃ 在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時間點 Ts = 22min 控制系統(tǒng)的單項品質(zhì)指標(biāo)小結(jié) 1） 穩(wěn)定性 衰減比n = 4:1~10:1最佳 2） 準(zhǔn)確性 余差C小好 最大偏差 A 小好 3） 快速性 過渡時間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好 各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。 2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分 單項指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個指標(biāo)，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。 偏差積分的原始定義：IE=∫ e (t) dt 偏差的定義存在分歧： e (t) = y(t) - y(∞) 不能表達(dá)余差 e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無窮大 y r C y(∞) t y r C y(∞) t 偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式： ①偏差積分IE（Integral of Error） 缺點：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。 圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值的階躍擾動的響應(yīng)曲線 y r y1 y3 C y(∞) Tp TS T t ②絕對偏差積分IAE（Integral Absolute value of Error） 這種方法實現(xiàn)了排除正負(fù)，偏差抵消的可能。 ③平方偏差積分ISE（Integral of Squared Error） 這種方法對偏差幅度敏感 ④時間與絕對偏差乘積積分ITAE（Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error） 這種處理方法對調(diào)節(jié)時間敏感 1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素 控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。 從第二章開始，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性及設(shè)計方法。 本章小結(jié)：過程控制的基本概念，重點是過程控制系統(tǒng)的分類及性能指標(biāo)。